JP6357090B2 - Capacitive sensor - Google Patents
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Description
本発明は、静電容量型圧力センサなどの物理量を測定する静電容量型センサに関するものである。 The present invention relates to a capacitive sensor that measures a physical quantity such as a capacitive pressure sensor.
従来の静電容量型圧力センサは、図３に示すように、圧力を受けて変形するダイアフラム及び固定電極により形成された検出コンデンサと、当該検出コンデンサと直列に接続された固定コンデンサとを有し、これらのコンデンサに矩形波電圧を印加して、前記検出コンデンサにかかる分圧を検出している。このように検出コンデンサにかかる分圧を検出することによって、ダイアフラムにかかる圧力を測定することができる。 As shown in FIG. 3, a conventional capacitive pressure sensor has a detection capacitor formed by a diaphragm and a fixed electrode that are deformed by pressure, and a fixed capacitor connected in series with the detection capacitor. Then, a rectangular wave voltage is applied to these capacitors to detect a divided voltage applied to the detection capacitor. By detecting the partial pressure applied to the detection capacitor in this way, the pressure applied to the diaphragm can be measured.
具体的には、検出コンデンサにかかる分圧をオペアンプ（初段アンプ）により検出して、当該初段アンプの出力電圧を、反転・非反転回路（アナログスイッチを含む。）を用いて、前記出力電圧を直流電圧に合成し、その合成された直流電圧の大きさによって圧力を演算するように構成されている。 Specifically, the divided voltage applied to the detection capacitor is detected by an operational amplifier (first stage amplifier), and the output voltage of the first stage amplifier is converted to the output voltage using an inverting / non-inverting circuit (including an analog switch). It is configured to combine with a DC voltage and calculate the pressure according to the magnitude of the combined DC voltage.
しかしながら、反転・非反転回路に、環境影響や電源電圧変動により位相や電位にずれが生じてしまい、測定誤差が生じてしまう。
また、反転・非反転回路のスイッチ切り替えにより、合成された直流電圧にノイズ成分が含まれてしまい、その結果、測定誤差が生じてしまう。
さらに、初段アンプが温度特性やドリフト等によるオフセット誤差を有する場合に、そのオフセット誤差によって測定誤差が生じてしまう。
その他、初段アンプ又は反転・非反転回路に生じたノイズがそのままノイズ成分となってしまい、測定誤差が生じてしまう。
However, the inverting / non-inverting circuit has a phase or potential shift due to environmental influences or power supply voltage fluctuations, resulting in measurement errors.
Further, the switching of the inverting / non-inverting circuit causes a noise component to be included in the synthesized DC voltage, resulting in a measurement error.
Furthermore, when the first-stage amplifier has an offset error due to temperature characteristics, drift, or the like, a measurement error occurs due to the offset error.
In addition, noise generated in the first-stage amplifier or the inverting / non-inverting circuit becomes a noise component as it is, and a measurement error occurs.
なお、特許文献１に示すように、検出コンデンサの分圧と固定コンデンサ（基準コンデンサ）の分圧とをオペアンプ（差動増幅手段）に入力するものが考えられている。
ところが、この静電容量型圧力センサは、オペアンプから出力された出力電圧をバンドパスフィルタ及び検波回路を介して出力するものであり、検波回路から出力された電圧（信号）をどのように処理するか不明である。
In addition, as shown in Patent Document 1, it is considered that the divided voltage of the detection capacitor and the divided voltage of the fixed capacitor (reference capacitor) are input to an operational amplifier (differential amplification means).
However, this capacitance type pressure sensor outputs the output voltage output from the operational amplifier via the band-pass filter and the detection circuit, and how to process the voltage (signal) output from the detection circuit. Is unknown.
そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、静電容量型センサの測定誤差を低減することをその主たる所期目的とするものである。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its main purpose is to reduce the measurement error of the capacitive sensor.
すなわち本発明に係る静電容量型センサは、外力の変化によって静電容量が変化するセンサ部と、前記センサ部に所定周波数の初期電圧を印加する初期電圧印加部と、前記初期電圧が印加された前記センサ部からの出力電圧を出力する第１オペアンプと、前記第１オペアンプの出力電圧の変化の基準となり前記初期電圧と同一周波数の基準電圧を発生する基準電圧発生部と、前記第１オペアンプの出力電圧及び前記基準電圧の差に基づく出力電圧を出力する第２オペアンプと、前記第２オペアンプの出力電圧の振幅により前記外力を演算する外力演算部と、を具備することを特徴とする。 That is, the capacitance type sensor according to the present invention is applied with a sensor unit whose capacitance changes due to a change in external force, an initial voltage application unit which applies an initial voltage of a predetermined frequency to the sensor unit, and the initial voltage. A first operational amplifier that outputs an output voltage from the sensor unit; a reference voltage generation unit that generates a reference voltage having the same frequency as the initial voltage as a reference for a change in the output voltage of the first operational amplifier; and the first operational amplifier. A second operational amplifier that outputs an output voltage based on a difference between the output voltage and the reference voltage, and an external force calculation unit that calculates the external force based on the amplitude of the output voltage of the second operational amplifier.
このようなものであれば、第１オペアンプの出力電圧と当該出力電圧の変化の基準となる基準電圧との差の振幅により外力を演算するように構成しているので、反転・非反転回路を不要にすることができる。これにより、反転・非反転回路による測定誤差を解消することができる。また、静電容量型センサのコストダウン及び実装面積の縮小を可能にすることができる。
また、第１オペアンプの出力電圧と基準電圧との差の振幅により外力を演算するように構成しているので、従来の直流電圧を合成する手法に比べて、検出感度を２倍にすることができる。また、第１オペアンプのオフセット誤差による測定誤差を解消することができる。さらに、振幅により外力を演算することにより、第２オペアンプの出力電圧に含まれるノイズ成分を小さくすることができ、測定誤差を低減することができる。
In such a case, since the external force is calculated by the amplitude of the difference between the output voltage of the first operational amplifier and the reference voltage that is a reference for the change of the output voltage, the inverting / non-inverting circuit is configured. It can be made unnecessary. Thereby, the measurement error due to the inverting / non-inverting circuit can be eliminated. Further, it is possible to reduce the cost and the mounting area of the capacitive sensor.
In addition, since the external force is calculated based on the amplitude of the difference between the output voltage of the first operational amplifier and the reference voltage, the detection sensitivity can be doubled compared to the conventional method of synthesizing the DC voltage. it can. Moreover, the measurement error due to the offset error of the first operational amplifier can be eliminated. Furthermore, by calculating the external force based on the amplitude, the noise component included in the output voltage of the second operational amplifier can be reduced, and the measurement error can be reduced.
前記基準電圧発生部が、前記基準電圧を可変としていることが望ましい。
これならば、センサ部の特性に合わせて基準電圧を変更することができ、センサ部の器差を解消することができる。
It is desirable that the reference voltage generation unit makes the reference voltage variable.
If this is the case, the reference voltage can be changed in accordance with the characteristics of the sensor unit, and instrumental differences in the sensor unit can be eliminated.
センサ部及び基準電圧発生部の具体的な実施の態様としては、前記センサ部が、外力の変化によって静電容量が変化する検出コンデンサと、基準静電容量を有する固定コンデンサとを互いに直列接続して構成したものであり、前記基準電圧発生部が、インピーダンス要素から構成したものであることが考えられる。
これならば、基準電圧発生部のインピーダンス要素の抵抗値を調整することによって、検出コンデンサの器差及び固定コンデンサの器差を解消することができる。
As a specific embodiment of the sensor unit and the reference voltage generation unit, the sensor unit includes a detection capacitor whose capacitance changes due to a change in external force and a fixed capacitor having a reference capacitance connected in series to each other. It is conceivable that the reference voltage generator is composed of an impedance element.
In this case, by adjusting the resistance value of the impedance element of the reference voltage generator, the instrumental error of the detection capacitor and the instrumental error of the fixed capacitor can be eliminated.
前記第１オペアンプが、前記初期電圧における前記検出コンデンサの分圧に基づく出力電圧を出力するものであり、前記基準電圧発生部が、可変インピーダンス要素及び固定インピーダンス要素を互いに直列接続して構成したものであり、前記初期電圧が印加されるとともに、前記可変インピーダンス要素及び前記固定インピーダンス要素の接続点の電圧が前記基準電圧として前記第２オペアンプに入力されるように構成されていることが望ましい。
これならば、直列接続された可変インピーダンス要素及び固定インピーダンス要素に基準電圧を印加して、それらの接続点の電圧を基準電圧としているので、基準電圧の周波数と初期電圧の周波数を完全に一致させることができる。また、検出コンデンサの分圧に合わせて可変インピーダンス要素を調整することにより、静電容量型センサの器差を解消することができる。
The first operational amplifier outputs an output voltage based on the divided voltage of the detection capacitor at the initial voltage, and the reference voltage generator is configured by connecting a variable impedance element and a fixed impedance element in series with each other. Preferably, the initial voltage is applied, and a voltage at a connection point between the variable impedance element and the fixed impedance element is input to the second operational amplifier as the reference voltage.
In this case, since the reference voltage is applied to the variable impedance element and the fixed impedance element connected in series and the voltage at the connection point is used as the reference voltage, the frequency of the reference voltage and the frequency of the initial voltage are completely matched. be able to. Further, by adjusting the variable impedance element in accordance with the partial pressure of the detection capacitor, the instrumental difference of the capacitance type sensor can be eliminated.
前記可変インピーダンス要素の抵抗値を調整することにより、前記基準電圧が、所定の圧力における前記第１オペアンプの出力電圧と同一の振幅となるように調整されていることが望ましい。
これならば、所定の圧力における第２オペアンプの出力電圧を０Ｖとすることができ、所望の分解能を有するＡＤ変換器を選択し易くなる。
It is desirable that the reference voltage is adjusted to have the same amplitude as the output voltage of the first operational amplifier at a predetermined pressure by adjusting the resistance value of the variable impedance element.
In this case, the output voltage of the second operational amplifier at a predetermined pressure can be set to 0 V, and it becomes easy to select an AD converter having a desired resolution.
特に、前記可変インピーダンス要素の抵抗値を調整することにより、前記基準電圧が、所望の測定レンジの中間圧力における前記第１オペアンプの出力電圧を同一の振幅となるように調整されていることが望ましい。
このように測定レンジの中間圧力における第１オペアンプの出力電圧と同一の振幅となるように調整することで、測定レンジの最小値及び最大値における測定誤差を低減することができる。
In particular, it is desirable that the reference voltage is adjusted to have the same amplitude as the output voltage of the first operational amplifier at an intermediate pressure in a desired measurement range by adjusting the resistance value of the variable impedance element. .
Thus, by adjusting so that it may become the same amplitude as the output voltage of the 1st operational amplifier in the intermediate pressure of a measurement range, the measurement error in the minimum value of a measurement range and a maximum value can be reduced.
このように構成した本発明によれば、第１オペアンプの出力電圧と当該出力電圧の変化の基準となる基準電圧との差の振幅により外力を演算するように構成しているので、静電容量型センサの測定誤差を低減することができる。 According to the present invention configured as described above, the external force is calculated based on the amplitude of the difference between the output voltage of the first operational amplifier and the reference voltage that is the reference for the change in the output voltage. The measurement error of the mold sensor can be reduced.
以下に本発明に係る静電容量型圧力センサの一実施形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of a capacitive pressure sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施形態の静電容量型圧力センサ１００は、圧力を受けて静電容量が変化する検出コンデンサ２と、基準静電容量を有する固定コンデンサ３と、検出コンデンサ２及び固定コンデンサ３に所定周波数の初期電圧Ｖ０を印加する初期電圧印加部４と、少なくとも検出コンデンサ３にかかる分圧ＶＣに基づく出力電圧Ｖｏｕｔ１を出力する第１オペアンプ５と、第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１の変化の基準となり初期電圧Ｖ０と同一周波数の基準電圧Ｖｒｅｆを発生する基準電圧発生部６と、第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１及び基準電圧Ｖｒｅｆの差に基づく出力電圧Ｖｏｕｔ２を出力する第２オペアンプ７と、第２オペアンプ７の出力電圧Ｖｏｕｔ２の振幅により圧力を演算する圧力演算部８と、を具備する。 The capacitance type pressure sensor 100 of the present embodiment includes a detection capacitor 2 whose capacitance changes upon receiving pressure, a fixed capacitor 3 having a reference capacitance, a detection capacitor 2 and a fixed capacitor 3 having a predetermined frequency. an initial voltage application unit 4 for applying an initial voltage V 0, and the first operational amplifier 5 which outputs an output voltage V out1 based on the partial pressure V C according to at least the sensing capacitor 3, the change in the output voltage V out1 of the first operational amplifier 5 The reference voltage generator 6 that generates the reference voltage V ref having the same frequency as the initial voltage V 0 and the output voltage V out2 based on the difference between the output voltage V out1 of the first operational amplifier 5 and the reference voltage V ref are output. The second operational amplifier 7 and a pressure calculation unit 8 that calculates the pressure based on the amplitude of the output voltage V out2 of the second operational amplifier 7 are provided.
以下、各部２〜８について詳述する。
検出コンデンサ２は、圧力を受けて変形するダイアフラム及び当該ダイアフラムに対向して設けられた固定電極により形成されている。ダイアフラムの固定電極に対する対向面及び固定電極のダイアフラムに対向する対向面はともに平面であり、ダイアフラムが圧力を受けて変形することにより、これらの対向面の距離が変化することによって、検出コンデンサの静電容量が変化する。
Hereinafter, each part 2-8 is explained in full detail.
The detection capacitor 2 is formed by a diaphragm that is deformed by receiving pressure and a fixed electrode provided to face the diaphragm. Both the facing surface of the diaphragm facing the fixed electrode and the facing surface of the fixed electrode facing the diaphragm are flat surfaces, and when the diaphragm is deformed by pressure, the distance between these facing surfaces changes, so that the static capacitance of the detection capacitor is changed. The capacitance changes.
固定コンデンサ３は、検出コンデンサ２が受ける圧力に関係なく変化しない固定の静電容量を有するものである。この固定コンデンサ３は、前記検出コンデンサ２と直列に接続されてセンサ部を構成している。
なお、直列接続された検出コンデンサ２及び固定コンデンサ３において、検出コンデンサ２の一方の端子（例えばダイアフラム側）がコモンに接続（接地）されている。
The fixed capacitor 3 has a fixed capacitance that does not change regardless of the pressure received by the detection capacitor 2. The fixed capacitor 3 is connected in series with the detection capacitor 2 to constitute a sensor unit.
In the detection capacitor 2 and the fixed capacitor 3 connected in series, one terminal (for example, the diaphragm side) of the detection capacitor 2 is connected (grounded) to the common.
初期電圧印加部４は、所定周波数の矩形波状の初期電圧Ｖ０を生成するものであり、一定の直流電圧（例えば２．５Ｖの直流電圧）を生成する例えばリファレンスＩＣ等のリファレンス電圧生成部４１と、当該リファレンス電圧生成部４１により得られた直流電圧を外部から入力される所定のＰＷＭ信号により所定周波数（例えば２５ｋＨｚ）の基準電圧Ｖ０に変換する基準電圧生成部４２とを有する。この初期電圧印加部４は、直列接続された検出コンデンサ２及び固定コンデンサ３において、固定コンデンサ３の一方の端子に基準電圧Ｖ０を印加する。なお、固定コンデンサ３の他方の端子は、検出コンデンサ２の他方の端子（固定電極側）に接続されている。 The initial voltage application unit 4 generates a rectangular-wave initial voltage V 0 having a predetermined frequency, and generates a constant DC voltage (for example, a DC voltage of 2.5 V), for example, a reference voltage generation unit 41 such as a reference IC. And a reference voltage generator 42 that converts the DC voltage obtained by the reference voltage generator 41 into a reference voltage V 0 having a predetermined frequency (for example, 25 kHz) by a predetermined PWM signal input from the outside. The initial voltage application unit 4 applies a reference voltage V 0 to one terminal of the fixed capacitor 3 in the detection capacitor 2 and the fixed capacitor 3 connected in series. The other terminal of the fixed capacitor 3 is connected to the other terminal (fixed electrode side) of the detection capacitor 2.
第１オペアンプ５は、前記初期電圧Ｖ０が印加された場合の検出コンデンサ２にかかる分圧ＶＣが入力されて、当該分圧ＶＣに基づく出力電圧Ｖｏｕｔ１を出力するものである。 The first operational amplifier 5, the initial voltage V 0 is input partial pressure V C according to the detection capacitor 2 when it is applied, and outputs the output voltage V out1 based on the partial pressure V C.
基準電圧発生部６は、互いに直接接続された可変抵抗（可変インピーダンス要素）６１と固定抵抗（固定インピーダンス要素）６２とを有している。可変抵抗６１の一方の端子は、コモンに接続されている。また、固定抵抗６２の一方の端子に、前記初期電圧印加部４から初期電圧Ｖ０が印加される。なお、可変抵抗６２の他方の端子は、固定抵抗６２の他方の端子に接続されており、この接続点の電圧が、第２オペアンプ７に入力されるように構成されている。 The reference voltage generator 6 includes a variable resistor (variable impedance element) 61 and a fixed resistor (fixed impedance element) 62 that are directly connected to each other. One terminal of the variable resistor 61 is connected to the common. The initial voltage V 0 is applied to one terminal of the fixed resistor 62 from the initial voltage application unit 4. The other terminal of the variable resistor 62 is connected to the other terminal of the fixed resistor 62, and the voltage at this connection point is input to the second operational amplifier 7.
つまり、互いに直列接続された検出コンデンサ２及び固定コンデンサ３と、互いに直接接続された可変抵抗６１及び固定抵抗６２には、共通の初期電圧Ｖ０が印加されることになる。これにより、可変抵抗６１と固定抵抗６２との接続点から、初期電圧Ｖ０と同一周波数の基準電圧Ｖｒｅｆが、第２オペアンプ７に入力されることになる。なお、本実施形態の基準電圧Ｖｒｅｆは、初期電圧Ｖ０が印加された場合の固定抵抗６２にかかる分圧である。 That is, the common initial voltage V 0 is applied to the detection capacitor 2 and the fixed capacitor 3 that are connected in series to each other, and the variable resistor 61 and the fixed resistor 62 that are directly connected to each other. As a result, the reference voltage V ref having the same frequency as the initial voltage V 0 is input to the second operational amplifier 7 from the connection point between the variable resistor 61 and the fixed resistor 62. Note that the reference voltage V ref of the present embodiment is a divided voltage applied to the fixed resistor 62 when the initial voltage V 0 is applied.
そして、本実施形態では、可変抵抗６１の抵抗値を調整することにより、基準電圧Ｖｒｅｆが、ダイアフラムが所定の圧力を受けた場合の第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１と同一の振幅となるように調整されている。具体的には、可変抵抗６１の抵抗値を調整することにより、基準電圧Ｖｒｅｆが、所望の測定レンジの中間値における第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１を同一の振幅となるように調整されている。 In the present embodiment, by adjusting the resistance value of the variable resistor 61, the reference voltage Vref has the same amplitude as the output voltage Vout1 of the first operational amplifier 5 when the diaphragm receives a predetermined pressure. Have been adjusted so that. Specifically, by adjusting the resistance value of the variable resistor 61, the reference voltage V ref is adjusted to have the same amplitude as the output voltage V out1 of the first operational amplifier 5 at the intermediate value of the desired measurement range. ing.
第２オペアンプ７は、第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１及び基準電圧Ｖｒｅｆの差を所定のゲイン（増幅率）で増幅した出力電圧Ｖｏｕｔ２を出力するものである。ここで、第２オペアンプ７のゲインは、例えば、測定レンジ及び後述する圧力演算部８のＡＤ変換器８１の入力電圧レンジにより定まる値である。 The second operational amplifier 7 outputs an output voltage V out2 obtained by amplifying the difference between the output voltage V out1 of the first operational amplifier 5 and the reference voltage V ref with a predetermined gain (amplification factor). Here, the gain of the second operational amplifier 7 is a value determined by, for example, the measurement range and the input voltage range of the AD converter 81 of the pressure calculation unit 8 described later.
圧力演算部８は、第２オペアンプ７の出力電圧Ｖｏｕｔ２をＡＤ変換するＡＤ変換器８１と、当該ＡＤ変換器８１から出力されたデジタル信号から、出力電圧Ｖｏｕｔ２の振幅を演算するとともに、当該振幅から圧力を演算する圧力換算部８２とを有している。ここで、圧力演算部８のＡＤ変換器８１は、第２オペアンプ７の出力電圧Ｖｏｕｔ２において立ち上がり直後及び立ち下がり直後のリンギング部分を避けて、前記出力電圧Ｖｏｕｔ２をサンプリングする（図２の出力電圧Ｖｏｕｔ２の矩形波参照）。具体的にＡＤ変換器８１は、第２オペアンプ７の矩形波状の出力電圧Ｖｏｕｔ２において、リンギングが収まった正側の安定部分及び負側の安定部分をそれぞれサンプルホールドで取り出してデジタル信号に変換する。 The pressure calculation unit 8 calculates the amplitude of the output voltage Vout2 from the AD converter 81 that AD converts the output voltage Vout2 of the second operational amplifier 7, and the digital signal output from the AD converter 81, and A pressure conversion unit 82 that calculates pressure from the amplitude. Here, the AD converter 81 of the pressure calculation unit 8 samples the output voltage Vout2 while avoiding the ringing portion immediately after the rise and immediately after the fall in the output voltage Vout2 of the second operational amplifier 7 (the output of FIG. 2). (See the rectangular wave of voltage Vout2 ). Specifically, the AD converter 81 extracts a positive-side stable portion and a negative-side stable portion in which the ringing is reduced in the rectangular wave-like output voltage V out2 of the second operational amplifier 7 and converts them into a digital signal. .
ここで、圧力換算部８２には、ＡＤ変換器８１から出力されるデジタル信号が示す振幅と、圧力との関係を示す振幅−圧力関連データ又は検量線データが格納されており、この振幅−圧力関連データ又は検量線データに基づいて圧力を演算する。 Here, the pressure conversion unit 82 stores amplitude-pressure related data or calibration curve data indicating the relationship between the amplitude indicated by the digital signal output from the AD converter 81 and the pressure, and this amplitude-pressure. The pressure is calculated based on related data or calibration curve data.
本実施形態の静電容量型圧力センサ１００によれば、第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１と当該出力電圧Ｖｏｕｔ１の変化の基準となる基準電圧Ｖｒｅｆとの差の振幅により圧力を演算するように構成しているので、反転・非反転回路を不要にすることができる。これにより、反転・非反転回路による測定誤差を解消することができる。また、静電容量型圧力センサ１００のコストダウン及び実装面積の縮小を可能にすることができる。 According to the capacitive pressure sensor 100 of the present embodiment, calculates the pressure by the amplitude of the difference between the reference voltage V ref as the output voltage V out1 and the reference of a change in the output voltage V out1 of the first operational amplifier 5 Thus, an inverting / non-inverting circuit can be eliminated. Thereby, the measurement error due to the inverting / non-inverting circuit can be eliminated. Further, the cost of the capacitive pressure sensor 100 can be reduced and the mounting area can be reduced.
さらに、第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１と基準電圧Ｖｒｅｆとの差の振幅により圧力を演算するように構成しているので、従来の直流電圧を合成する手法に比べて、検出感度を２倍にすることができる。また、第１オペアンプ５のオフセット誤差による測定誤差を解消することができる。さらに、振幅により圧力を演算することにより、第２オペアンプ７の出力電圧Ｖｏｕｔ２に含まれるノイズ成分を小さくすることができ、測定誤差を低減することができる。その他、基準電圧Ｖ０が例えば２０ｋＨｚ等の高周波電圧であるため、外乱により生じる低周波ノイズを除去することができる。 Furthermore, since the pressure is calculated based on the amplitude of the difference between the output voltage V out1 of the first operational amplifier 5 and the reference voltage V ref , the detection sensitivity is 2 compared with the conventional method of synthesizing the DC voltage. Can be doubled. Further, the measurement error due to the offset error of the first operational amplifier 5 can be eliminated. Furthermore, by calculating the pressure based on the amplitude, the noise component included in the output voltage Vout2 of the second operational amplifier 7 can be reduced, and the measurement error can be reduced. In addition, since the reference voltage V 0 is a high-frequency voltage such as 20 kHz, low-frequency noise caused by disturbance can be removed.
加えて、基準電圧発生部６の可変抵抗６１の抵抗値を調整して、基準電圧Ｖｒｅｆを検出コンデンサ２及び固定コンデンサ３に合わせて生成することで、検出コンデンサ２の器差及び固定コンデンサ３の器差を解消することができる。 In addition, by adjusting the resistance value of the variable resistor 61 of the reference voltage generation unit 6 and generating the reference voltage V ref according to the detection capacitor 2 and the fixed capacitor 3, the difference between the detection capacitor 2 and the fixed capacitor 3 is generated. The instrumental error can be eliminated.
また、本実施形態によれば、直列接続された可変抵抗６１及び固定抵抗６２に初期電圧Ｖ０を印加して、それらの接続点の電圧を基準電圧Ｖｒｅｆとしているので、基準電圧Ｖｒｅｆの周波数と初期電圧Ｖ０の周波数を完全に一致させることができる。また、検出コンデンサ２の分圧に合わせて可変抵抗６１を調整することにより、静電容量型圧力センサ１００の器差を解消することができる。 Further, according to this embodiment, by applying an initial voltage V 0 to the variable resistor 61 and fixed resistor 62 connected in series, since the voltage of their connecting point is a reference voltage V ref, the reference voltage V ref The frequency and the frequency of the initial voltage V 0 can be completely matched. Further, by adjusting the variable resistor 61 in accordance with the divided voltage of the detection capacitor 2, the instrumental error of the capacitive pressure sensor 100 can be eliminated.
前記可変抵抗６１の抵抗値を調整することにより、前記基準電圧Ｖｒｅｆが、所定の圧力における前記第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１と同一の振幅となるように調整されているので、所定の圧力における第２オペアンプ７の出力電圧Ｖｏｕｔ２を０Ｖとすることができ、所望の分解能を有するＡＤ変換器を選択し易くなる。 By adjusting the resistance value of the variable resistor 61, the reference voltage V ref is adjusted to have the same amplitude as the output voltage V out1 of the first operational amplifier 5 at a predetermined pressure. The output voltage V out2 of the second operational amplifier 7 at the pressure can be set to 0 V, and it becomes easy to select an AD converter having a desired resolution.
特に、前記基準電圧Ｖｒｅｆが、所望の測定レンジの中間圧力における前記第１オペアンプ５の出力電圧Ｖｏｕｔ１を同一の振幅となるように調整されているので、測定レンジの最小値及び最大値における測定誤差を低減することができる。 In particular, since the reference voltage V ref is adjusted to have the same amplitude as the output voltage V out1 of the first operational amplifier 5 at an intermediate pressure in a desired measurement range, the reference voltage V ref is at the minimum value and the maximum value of the measurement range. Measurement error can be reduced.
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、基準電圧発生部の構成としては、前記実施形態に限られず、所定の外力における前記第１オペアンプの出力電圧と同一周波数及び同一振幅である基準電圧を予め求めておき、当該基準電圧を示す基準電圧データを格納する基準電圧データ格納部を有し、当該基準電圧データ格納部から、第１オペアンプの出力電圧と同期させて出力するように構成しても良い。
The present invention is not limited to the above embodiment.
For example, the configuration of the reference voltage generation unit is not limited to the above-described embodiment, and a reference voltage having the same frequency and the same amplitude as the output voltage of the first operational amplifier at a predetermined external force is obtained in advance, and the reference voltage is indicated. A reference voltage data storage unit for storing the reference voltage data may be provided, and the reference voltage data storage unit may be configured to output the reference voltage data in synchronization with the output voltage of the first operational amplifier.
また、前記実施形態では、基準電圧が、所望の測定レンジの中間値における前記第１オペアンプの出力電圧を同一の振幅となるように調整されているが、測定レンジの最小値又は最大値、或いは、その間の値であっても良い。 In the embodiment, the reference voltage is adjusted so that the output voltage of the first operational amplifier at the intermediate value of the desired measurement range has the same amplitude, but the minimum or maximum value of the measurement range, or Or a value between them.
さらに、基準電圧発生部の構成としては、互いに直列接続された可変抵抗及び固定抵抗に限られず、互いに直列接続された可変抵抗及び固定コンデンサであっても良い。その他、基準電圧発生部を構成する可変インピーダンス要素及び固定インピーダンス要素としては、抵抗の他、コイルであっても良いし、コンデンサであっても良い。 Furthermore, the configuration of the reference voltage generator is not limited to the variable resistor and the fixed resistor connected in series with each other, and may be a variable resistor and a fixed capacitor connected in series with each other. In addition, the variable impedance element and the fixed impedance element constituting the reference voltage generation unit may be a coil or a capacitor in addition to a resistor.
その上、前記実施形態では、検出コンデンサ及び固定コンデンサを直列接続するとともに、可変抵抗及び固定抵抗を直列接続して、それらに初期電圧を印加するように構成しているが、検出コンデンサ及び固定抵抗を直列接続するとともに、固定コンデンサ及び可変抵抗を直列接続して、それらに初期電圧を印加するように構成しても良い。 In addition, in the embodiment, the detection capacitor and the fixed capacitor are connected in series, and the variable resistor and the fixed resistor are connected in series, and the initial voltage is applied to them. May be connected in series, and a fixed capacitor and a variable resistor may be connected in series to apply an initial voltage thereto.
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。 In addition, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
１００・・・静電容量型圧力センサ
２ ・・・検出コンデンサ
３ ・・・固定コンデンサ
４ ・・・初期電圧印加部
５ ・・・第１オペアンプ
６ ・・・基準電圧発生部
６１ ・・・可変抵抗（可変インピーダンス要素）
６２ ・・・固定抵抗（固定インピーダンス要素）
７ ・・・第２オペアンプ
８ ・・・圧力演算部（外力演算部）
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Capacitance type pressure sensor 2 ... Detection capacitor 3 ... Fixed capacitor 4 ... Initial voltage application part 5 ... 1st operational amplifier 6 ... Reference voltage generation part 61 ... Variable Resistance (variable impedance element)
62 ... Fixed resistance (fixed impedance element)
7 ... 2nd operational amplifier 8 ... Pressure calculation part (external force calculation part)
Claims (7)
前記センサ部に所定周波数の初期電圧を印加する初期電圧印加部と、
前記初期電圧が印加された前記センサ部からの出力電圧を出力する第１オペアンプと、
前記第１オペアンプの出力電圧の変化の基準となり前記初期電圧と同一周波数の基準電圧を発生する基準電圧発生部と、
前記第１オペアンプの出力電圧及び前記基準電圧の差に基づく出力電圧を出力する第２オペアンプと、
前記第２オペアンプの出力電圧の振幅により前記外力を演算する外力演算部と、を具備する静電容量型センサ。 A sensor unit whose capacitance changes due to a change in external force;
An initial voltage applying unit that applies an initial voltage of a predetermined frequency to the sensor unit;
A first operational amplifier that outputs an output voltage from the sensor unit to which the initial voltage is applied;
A reference voltage generation unit that generates a reference voltage having the same frequency as that of the initial voltage as a reference for a change in the output voltage of the first operational amplifier;
A second operational amplifier that outputs an output voltage based on a difference between the output voltage of the first operational amplifier and the reference voltage;
An electrostatic force sensor comprising: an external force calculation unit that calculates the external force based on an amplitude of an output voltage of the second operational amplifier.
前記基準電圧発生部が、インピーダンス要素から構成したものである請求項１又は２記載の静電容量型センサ。 The sensor unit is configured by connecting in series a detection capacitor whose capacitance changes due to a change in external force and a fixed capacitor having a reference capacitance,
3. The capacitance type sensor according to claim 1, wherein the reference voltage generation unit is constituted by an impedance element.
前記基準電圧発生部が、可変インピーダンス要素及び固定インピーダンス要素を互いに直列接続して構成したものであり、前記初期電圧が印加されるとともに、前記可変インピーダンス要素及び前記固定インピーダンス要素の接続点の電圧が前記基準電圧として前記第２オペアンプに入力されるように構成されている請求項３記載の静電容量型センサ。 The first operational amplifier outputs an output voltage based on the divided voltage of the detection capacitor at the initial voltage;
The reference voltage generator is configured by connecting a variable impedance element and a fixed impedance element in series with each other. The initial voltage is applied, and a voltage at a connection point of the variable impedance element and the fixed impedance element is The capacitive sensor according to claim 3, configured to be input to the second operational amplifier as the reference voltage.
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